协处理器 | PlayStation 2硬件架构

距离竞争对手推出最新产品已经过去两年了。如果您读过前一篇文章，刚刚开始读这篇文章，我想您还在等待"那个东西"，它能让PS2变得像当年一样强大。现在，让我来介绍一下索尼在情感引擎中安装的一套非常重要的组件——矢量处理单元（Vector Processing Units，"VPU"）。

矢量处理单元是一个独立的小型处理器，专门用于处理矢量，尤其是由四个float组成的矢量。这些处理器速度极快，每次操作只需一个周期，这对于几何图形的处理极为方便。尽管它们表现出与CPU的FPU类似的非标准化行为。

矢量单元由以下部分组成：

矢量单元内存（Vector Unit Memory，"VU Mem"）：用作矢量单元的工作空间。它存储操作所需的值和/或先前操作的结果。
矢量单元：处理器的核心。它包含一些内存（称为微内存（Micro Memory）），用于存储程序（称为微程序（Microprogram）），指示矢量单元如何操作矢量单元内存中的数据。
- 它采用64位ISA，执行单元分为两个并行的子单元。第一个子单元进行浮点数乘法或加法运算，而另一个子单元则进行浮点数除法或整数运算。这样就可以同时操作浮点数和整数。这样就能同时操作浮点数和整数。
矢量接口:自动将来自主存储器的顶点数据解压缩为矢量单元可以理解的格式。该单元还可将微程序传输到微型存储器。

要开始工作，需要"启动"矢量单元。为此，主CPU负责提供微代码。

EE中安装有两个VPU，但它们的安排方式不同，因此有不同的用途和优化方式。

VPU0的架构

第一个VPU（VPU0）位于CPU和另一个向量单元（VPU1）之间。它为主CPU提供"辅助"作用。

VPU0 有两种工作模式：

微模式：这是"传统模式"。 VPU将独立执行存储在微存储器中的微程序中的"微指令"。
宏模式： VPU0成为主CPU的"COP2"，执行通过专用128位总线从主CPU接收的 "宏指令"。
- 宏指令的功能与微指令相同，但使用不同的操作码。不过，VPU执行单元不再被分割（这意味着它一次只能执行一条指令）。
- 虽然这种模式不能充分利用VPU0的所有组件，但仍能加快CPU的矢量运算速度。此外，就简便性而言，协处理器比独立单元更容易编程（PC程序员会发现这一点很有帮助）。

VPU0的内存映射还可以访问其他VPU的某些寄存器和标志，大概是为了检查其状态或快速读取其他VPU的某些操作结果。

VPU1的架构

第二个VPU（VPU1）是VPU0的增强版，其微型存储器和VU存储器的容量是VPU0的四倍。此外，该单元还包括一个名为初等函数单元（Elementary function unit，"EFU"）的附加组件，可加快指数和三角函数的执行速度。

VPU1位于VPU0和图形接口（通往GPU的"门"）之间，因此它包括额外的总线，以便在不使用主总线的情况下尽快将几何图形传送到GPU。

另一方面，由于其位置的原因，VPU1只能在微模式下运行。

很明显，这个VPU是为三角运算而设计的，可以作为GPU的预处理器。因此，它经常负责提供著名的显示列表。

过程生成是这些单元可以利用的一种有用方法。换句话说，与其使用硬编码几何图形构建场景，不如让VPU使用算法生成场景。在这种情况下，VPU通过计算数学函数来生成几何图形，然后由GPU进行解释（如三角形、直线、四边形等），最终用于绘制场景。

与使用显式数据相比，过程生成内容是并行化任务的理想选择，它可以释放带宽，只需很少的存储空间，而且是动态的（程序员可以设置参数来实现不同的结果）。许多领域都能从这种技术中获益匪浅：

复杂曲面（如球体和车轮）。
世界渲染（如地形、粒子、树木）。
贝塞尔曲线（Bézier curves），计算机图形学中用于绘制曲线的一种非常流行的方程。这些曲线被转化为贝塞尔补丁（显式几何体），并根据所需的细节程度支持不同的精度。

另一方面，过程生成内容可能难以处理动画，如果算法过于复杂，VPU可能无法在所需时间内生成几何图形。

总之，程序渲染并不是一种新技术，但由于VPU的出现，它为进一步优化和丰富图形打开了大门。尽管如此，程序渲染技术的实现并不简单，索尼研发部门发表了多篇论文，介绍了在其游戏机上使用的不同方法。

有了这些新功能，程序员在设计图形引擎时就有了很大的灵活性。为此，索尼投入了更多资源来设计和记录高效的流水线设计。以下是针对不同类型工作负载进行优化的图形流水线示例：

并行流水线设计

串行流水线设计

在第一个并行设计示例中，CPU与宏模式下的VPU0结合，与VPU1并行生成几何图形。 CPU/VPU0组充分利用Scratchpad和高速缓存，避免使用主总线，而VPU1则依靠主内存获取数据。最后，两个渲染组同时向GPU发送各自的显示列表。

第二个例子是串行设计，它提出了一种不同的方法，即CPU/VPU0组作为VPU1的预处理器工作。第一阶段将获取并处理所有几何图形，然后由VPU1将其转化为显示列表。

以上是从理论角度举例说明的，但为了解释更"实际"的实现方法，我将参考Jon Burton发布的一段视频，内容涉及他们开发的一款PS2游戏。

古惑狼2（Crash Bandicoot: The Wrath of Cortex）（2001）烛火和窗玻璃发出的光都是由微粒形成的

Travellers Tales的前总监解释了他的团队是如何在VPU1中实现完全封装的粒子系统的。简而言之，VPU1主要是从其VU内存中读取一个预先填充的数据库，该数据库用于计算任何给定时间内粒子的坐标，而无需依赖任何其他组件。操作结果可以转化为显示列表并立即发送。

通过这种方法，CPU的负荷大大减轻，从而可以执行AI和物理等其他任务。

这样的例子还有很多，但总而言之：现在，程序员可以找到最佳的设置，这是一件好事。

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